RU2808770C1 - Method for increasing density of field currents and slope of field emission avcs - Google Patents

Abstract

FIELD: vacuum plasma electronics.

SUBSTANCE: development and creation of radiation-resistant instruments and devices, the operation of which is based on the use of field sources of electrons.

EFFECT: decrease in the field emission threshold, increase in current density and steepness of the current-voltage characteristics of field electron sources. In a method for increasing the current density and slope of the current-voltage characteristics of field electron sources based on carbon coatings, a three-layer carbon heterostructure is used as an electron emitter, in which, in one vacuum production cycle, an electron-depleted layer with a thickness of 4-6 nm and an upper enriched layer are sequentially deposited on the lower electron-enriched layer, similar to the bottom one, 40-60 nm thick.

2 cl, 1 dwg

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и вакуумно-плазменной микроэлектроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных углеродных структур.The invention relates to the field of electronic technology and can be used in the manufacture of light-indicating equipment and vacuum-plasma microelectronics based on field emission of multi-point carbon structures.

Уровень техники.State of the art.

Аналитическим выражением, описывающим туннельную эмиссию электронов при приложении сильных электрических полей, является формула Фаулера и Нордгейма, согласно которой основными параметрами, определяющими полевой ток являются потенциал работы выхода электрона из материала катода (ϕ) и электрическое поле на отдельном (усредненном) микровыступе (E_i). E_i связанно со средней величиной напряженности внешнего электрического поля Е₀=U/h, где U - напряжение на аноде, h - расстояние между катодом и анодом, через коэффициент усиления поля К, который определяется морфологией поверхности катода [1]:An analytical expression describing the tunnel emission of electrons when strong electric fields are applied is the Fowler and Nordheim formula, according to which the main parameters determining the field current are the potential work function of the electron from the cathode material (ϕ) and the electric field on a separate (averaged) microprotrusion (E _i ). E _i is related to the average strength of the external electric field E ₀ =U/h, where U is the voltage at the anode, h is the distance between the cathode and the anode, through the field enhancement factor K, which is determined by the morphology of the cathode surface [1]:

где А, В - некоторые коэффициенты.where A, B are some coefficients.

Из выражения (1) следует, что крутизна ВАХ (dJ/dU) увеличивается с увеличением коэффициент усиления поля К и уменьшением работы выхода электронов и расстояния между катодом и анодом. Эти заключения хорошо согласуются с экспериментальными данными и лежат в основе разработки и совершенствования полевых источников электронов.From expression (1) it follows that the slope of the current-voltage characteristic (dJ/dU) increases with an increase in the field gain K and a decrease in the electron work function and the distance between the cathode and anode. These conclusions are in good agreement with experimental data and form the basis for the development and improvement of field electron sources.

Известны многоострийные полевые эмиттеры, которые принято называть спиндтовскими [2]. Чтобы обеспечить достаточно интенсивную полевую эмиссию и крутизну ВАХ, в ячейках спиндтовских систем устанавливают острийные катоды с малым (меньше 1 мкм) диаметром вершины, и управляющий электрод, напряжение которого определяет величину поля у острия, устанавливают на расстоянии порядка микрона от вершины острия. Технология создания спиндтовских структур чрезвычайно сложна и это препятствует широкому их практическому использованию. К тому же, спиндтовские структуры могут быть достаточно долговечными только в низкочастотных и низковольтных устройствах, в которых распыление материала эмиттеров бомбардирующими ионами остаточного газа не приводит к деградации их рабочих характеристик.Multi-tip field emitters are known, which are commonly called Spindt emitters [2]. To ensure sufficiently intense field emission and the steepness of the current-voltage characteristic, tip cathodes with a small (less than 1 μm) apex diameter are installed in the cells of Spindt systems, and the control electrode, the voltage of which determines the field strength at the tip, is installed at a distance of the order of a micron from the tip apex. The technology for creating Spindt structures is extremely complex and this prevents their widespread practical use. In addition, Spindt structures can be sufficiently durable only in low-frequency and low-voltage devices, in which sputtering of the emitter material by bombarding ions of the residual gas does not lead to degradation of their performance characteristics.

Известны матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из углеродных нанотрубок (УНТ). В патенте США [3] изложено техническое решение, согласно которому полевой эмиссионный элемент содержит электропроводящую подложку, расположенный на ней диэлектрический слой, в котором выполнена матрица сквозных отверстий, на стенках которых расположен изолирующий слой, над которым расположен вытягивающий слой, в отверстиях сформирован массив углеродных нанотрубок, причем высота массива углеродных нанотрубок меньше толщины диэлектрического слоя.Matrices of multi-point field emission cathodes consisting of carbon nanotubes (CNTs) are known. The US patent [3] sets out a technical solution according to which the field emission element contains an electrically conductive substrate, a dielectric layer located on it, in which a matrix of through holes is made, on the walls of which there is an insulating layer, above which there is a pulling layer, in the holes an array of carbon nanotubes, and the height of the array of carbon nanotubes is less than the thickness of the dielectric layer.

С момента своего открытия УНТ показали себя как многообещающие кандидаты для использования в катодных материалах с полевой эмиссией из-за их малого радиуса наконечника, высокого аспектного отношения и превосходных электрических, термических и механических свойств [4,5]. Однако, попытки создания многопучковых катодов на основе УНТ не дали до настоящего времени ожидаемых эмиссионных характеристик. Основной причиной этого, как показали наблюдения, является низкая адгезионная прочность между УНТ матрицей и подложкой [6], а также подверженность к перенапылению на анод и другие детали арматуры источника электронов. Эмиссионные характеристики структур на основе УНТ нестабильны - за десять часов непрерывной работы плотность тока эмиссии (при постоянном приложенном напряжении) снижается примерно на порядок. Это связано с разрушением нанотрубок под действием быстрых электронов и тепла. Увеличение крутизны ВАХ в эмиссионных элементах, описанных в [3], которое могло бы достигаться за счет уменьшения разности между толщиной изолирующего слоя и высотой массива УНТ, ограничено его диэлектрическими свойствами и возможностью возникновения короткого замыкания между УНТ и вытягивающим слоем из-за перенапыления углерода.Since their discovery, CNTs have shown to be promising candidates for use in field emission cathode materials due to their small tip radius, high aspect ratio, and excellent electrical, thermal, and mechanical properties [4,5]. However, attempts to create multibeam cathodes based on CNTs have not yet given the expected emission characteristics. The main reason for this, as observations have shown, is the low adhesion strength between the CNT matrix and the substrate [6], as well as the susceptibility to overspray on the anode and other parts of the electron source fittings. The emission characteristics of structures based on CNTs are unstable - over ten hours of continuous operation, the emission current density (at a constant applied voltage) decreases by approximately an order of magnitude. This is due to the destruction of nanotubes under the influence of fast electrons and heat. An increase in the steepness of the current-voltage characteristic in emissive elements described in [3], which could be achieved by reducing the difference between the thickness of the insulating layer and the height of the CNT array, is limited by its dielectric properties and the possibility of a short circuit between the CNT and the extraction layer due to carbon overspray.

Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному нами является изобретение, в котором использовано в качестве материала эмиттера наноалмазное покрытие, представляющее собой углеродную пленку, содержащую наноструктурированные алмазные компоненты, что приводит к повышению деградационной стойкости, плотности тока и уменьшению рабочих напряжений в интегральных приборах вакуумной нано- и микроэлектроники. Сущность изобретения: интегральный автоэмиссионный элемент включает подложку, покрытую диэлектрическим слоем, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала и расположенную на внешней поверхности упомянутой подложки, опорную структуру, расположенную на верхней поверхности упомянутой катодной структуры и содержащую сквозные отверстия, внутри которых формируются катоды на основе наноалмазных покрытий, расположенные на внешней поверхности катодной структуры, анодный слой из электропроводящего материала, расположенный на внешней поверхности упомянутой опорной структуры и содержащий технологические отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в опорной структуре [7]. Создание эмиттера проводится в едином технологическом цикле с формированием структуры анодов без дополнительной операции совмещения анодов с катодной структурой.The closest in technical essence and technical result to the one proposed by us is an invention in which a nanodiamond coating is used as an emitter material, which is a carbon film containing nanostructured diamond components, which leads to an increase in degradation resistance, current density and a decrease in operating voltages in integrated devices vacuum nano- and microelectronics. The essence of the invention: an integrated field emission element includes a substrate coated with a dielectric layer, a cathode structure consisting of one or several layers of electrically conductive material and located on the outer surface of the said substrate, a support structure located on the upper surface of the said cathode structure and containing through holes, inside which cathodes based on nanodiamond coatings located on the outer surface of the cathode structure, an anode layer of electrically conductive material located on the outer surface of the said support structure and containing technological holes aligned with the said holes in the support structure [7]. The creation of the emitter is carried out in a single technological cycle with the formation of the anode structure without the additional operation of combining the anodes with the cathode structure.

Эффективность работы интегрального автоэмиссионного элемента определяется током эмиссии и крутизной ВАХ, которые зависят от материала электрода, рабочего напряжения и расстояния между анодом и катодом. Недостатком описанного автоэмиссионного элемента, также как в предыдущих структурах, является возникновение токов утечки между катодным материалом и управляющим и/или анодным электродами при уменьшении расстояния между ними с целью уменьшения рабочего напряжения и увеличения плотности тока и крутизны ВАХ.The operating efficiency of an integrated field emission element is determined by the emission current and the slope of the current-voltage characteristic, which depend on the electrode material, operating voltage and the distance between the anode and cathode. The disadvantage of the described field emission element, as well as in previous structures, is the occurrence of leakage currents between the cathode material and the control and/or anode electrodes when the distance between them is reduced in order to reduce the operating voltage and increase the current density and slope of the current-voltage characteristic.

Целью изобретения является создание автоэмиссионных матриц на основе углеродных гетероструктур, которые при технологии изготовления, совместимой с низкотемпературной технологией производства интегральных схем, обладали бы высокими эффективностью (высокими крутизной ВАХ и плотностью тока при более низком рабочем напряжении эмиссии) и стабильностью автоэлектронной эмиссии при продолжительном ресурсе эксплуатации.The purpose of the invention is to create field emission matrices based on carbon heterostructures, which, with a manufacturing technology compatible with low-temperature integrated circuit production technology, would have high efficiency (high I-V slope and current density at a lower operating emission voltage) and stability of field emission with a long service life .

Поставленная цель достигается тем, что создание автоэмиссионной матрицы осуществляется в одном вакуумном технологическом цикле осаждением трехслойной углеродной гетероструктуры с различным электронным обогащением слоев, верхний и нижний из которых являются обогащенными, а между ними осаждается квантоворазмерный обедненный слой.This goal is achieved by the fact that the creation of a field emission matrix is carried out in one vacuum technological cycle by deposition of a three-layer carbon heterostructure with different electronic enrichment of the layers, the upper and lower of which are enriched, and a quantum-sized depleted layer is deposited between them.

Углеродные слои с различным электронным обогащением осаждают при температуре (300±10)°С с использованием микроволновой плазмы паров этанола по методике, изложенной в [9]. Обогащенный электронами нижний слой гетероструктуры толщиной около 0,2 мкм получают при давлении 0,07…0,1 Па и смещении на подложкодержателе +200…+300 В. В том же вакуумном цикле после снижения давления паров этанола до 0,01-0,02 Па при смещении -200 -300 В осаждают обедненный углеродный слой толщиной 4-6 нм. На обедненный слой при том же давлении и смещении, которые использовали при осаждении обогащенного нижнего слоя, осаждают верхний обогащенный слой толщиной 40-60 нм.Carbon layers with different electron enrichment are deposited at a temperature of (300±10)°C using microwave plasma of ethanol vapor according to the method described in [9]. The electron-enriched bottom layer of the heterostructure with a thickness of about 0.2 microns is obtained at a pressure of 0.07...0.1 Pa and a bias on the substrate holder of +200...+300 V. In the same vacuum cycle, after reducing the ethanol vapor pressure to 0.01-0, 02 Pa at a bias of -200 -300 V, a depleted carbon layer 4-6 nm thick is deposited. An upper enriched layer with a thickness of 40-60 nm is deposited onto the depleted layer at the same pressure and displacement that were used in deposition of the enriched lower layer.

Повышение эффективности и стабильности автоэлектронной эмиссии при продолжительном ресурсе службы осуществляется введением в обогащенную электронами углеродную матрицу низкоразмерного углеродного слоя, обедненного электронами. При тех же, что у прототипа, геометрических характеристиках автоэмиссионных элементов это позволяет уменьшать пороги начала полевой эмиссии, увеличивать крутизну автоэмиссионных ВАХ и плотность тока.Increasing the efficiency and stability of field emission with a long service life is achieved by introducing a low-dimensional carbon layer depleted of electrons into the electron-enriched carbon matrix. Given the same geometric characteristics of the field emission elements as the prototype, this makes it possible to reduce the thresholds for the onset of field emission, increase the steepness of the field emission current-voltage characteristics and the current density.

Согласно квантовой механике, в углеродных слоях, являющихся по своей природе полуметаллами, с толщинами меньше длины волны де Бройля, которая при комнатной температуре для полупроводниковых структур составляет от 25 до 100 нм, а для металлов на порядок меньше, минимальная энергия электронов не может быть равной нулю. Всегда существует так называемая энергия нулевых колебаний (E₁), которая определяется толщиной квантоворазмерного слоя. При приложении электрических полей поперечный транспорт электронов в гетероструктурах осуществляется их туннелированием сквозь квантовый барьер (КБ), прозрачность которых тем выше, чем меньше их толщина l [8]:According to quantum mechanics, in carbon layers, which are semimetals in nature, with thicknesses less than the de Broglie wavelength, which at room temperature for semiconductor structures ranges from 25 to 100 nm, and for metals an order of magnitude less, the minimum electron energy cannot be equal zero. There is always the so-called zero-point energy (E ₁ ), which is determined by the thickness of the quantum-size layer. When electric fields are applied, the transverse transport of electrons in heterostructures is carried out by their tunneling through a quantum barrier (QB), the transparency of which is higher, the smaller their thickness l [8]:

где h=6,62⋅10^-34 Дж⋅с - постоянная Планка, m - масса туннелирующей частицы, U - потенциальная энергия, W - энергия электрона, падающего на барьер.where h=6.62⋅10 ^-34 J⋅s is Planck’s constant, m is the mass of the tunneling particle, U is the potential energy, W is the energy of the electron incident on the barrier.

Из выражения (2) следует, что вероятность прохождения частицы сквозь КБ зависит от его ширины и превышения над уровнем энергии туннелирующего электрона W, то есть от U - W или, в конечном счете, от высоты барьера. С увеличением напряженности внешнего поля, энергии основных состояний электронов в квантово размерных структурах снижаются, а их кинетическая энергия увеличивается. При сближении их значений до величины порядка k₀T возникают условия для резонансного туннелирования электронов и токи сквозь гетероструктуры интенсивно увеличиваются.From expression (2) it follows that the probability of a particle passing through a CB depends on its width and the excess W above the energy level of the tunneling electron, that is, on U - W or, ultimately, on the height of the barrier. With an increase in the external field strength, the energies of the ground states of electrons in quantum-dimensional structures decrease, and their kinetic energy increases. As their values approach a value of the order of k ₀ T, conditions arise for resonant tunneling of electrons and the currents through the heterostructures intensively increase.

При полевой эмиссии в сильных импульсных электрических полях высокая нулевая энергия электронов в обедненном слое толщиной 5 нм, которая составляет около 0,2 эВ, кроме высокой прозрачности для туннелирования внутри гетероструктуры, существенно увеличивает также прозрачность потенциального барьера (ПБ) на границе твердое тело-вакуум без увеличения энергетической нагрузки на материал автокатода. Это происходит за счет уменьшения разности между высотой вакуумного ПБ (работой выхода электронов) и собственной энергией туннелирующего электрона. Благодаря бездиссипативному транспорту и снижению порога эмиссии, процессы, связанные с увеличением кинетической энергии электронов в гетероструктуре и развитием ударной ионизации атомов углеродной структуры, при увеличении внешнего электрического поля замедляются. Это позволяет в разы увеличить плотность полевого тока и крутизну ВАХ (Фиг. 1).During field emission in strong pulsed electric fields, the high zero energy of electrons in a depletion layer 5 nm thick, which is about 0.2 eV, in addition to high transparency for tunneling inside the heterostructure, also significantly increases the transparency of the potential barrier (PB) at the solid-vacuum interface without increasing the energy load on the field cathode material. This occurs due to a decrease in the difference between the height of the vacuum PB (electron work function) and the intrinsic energy of the tunneling electron. Thanks to dissipative transport and a decrease in the emission threshold, processes associated with an increase in the kinetic energy of electrons in the heterostructure and the development of impact ionization of atoms of the carbon structure slow down with an increase in the external electric field. This makes it possible to increase the field current density and the steepness of the current-voltage characteristic several times (Fig. 1).

Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в снижении порога начала эмиссии и повышении плотности полевых токов и крутизны вольтамперных характеристик полевых источников электронов за счет создания условий для бездиссипативного транспорта электронов, при котором вероятность развития процессов ударной ионизации в катодной матрице и ее разрушение значительно уменьшаются.This set of distinctive features makes it possible to achieve a technical result, which consists in lowering the threshold for the onset of emission and increasing the density of field currents and the steepness of the current-voltage characteristics of field electron sources by creating conditions for non-dissipative transport of electrons, in which the probability of the development of impact ionization processes in the cathode matrix and its destruction is significantly are decreasing.

Полученные автоэмиссионные матрицы на основе углеродных гетероструктур при испытаниях показали хорошие характеристики, а именно высокую стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5% на начальном этапе, что позволяет прогнозировать срок службы катода на уровне не менее 10000 часов, а также высокую эффективность эмиссии.The resulting field emission matrices based on carbon heterostructures showed good characteristics during testing, namely, high emission stability with a current fluctuation amplitude of less than 3.5% at the initial stage, which makes it possible to predict a cathode service life of at least 10,000 hours, as well as high emission efficiency.

Изобретение поясняется графиком. На фиг. 1 показаны автоэмиссионные ВАХ трехслойных углеродных гетероструктур с обогащенными электронами основанием толщиной 0,2 мкм и верхним слоем толщиной 60 нм в отсутствии квантового барьера (1) и при его ширине 5 нм (2).The invention is illustrated by a diagram. In fig. Figure 1 shows field emission current-voltage characteristics of three-layer carbon heterostructures with an electron-enriched base 0.2 μm thick and a top layer 60 nm thick in the absence of a quantum barrier (1) and with a width of 5 nm (2).

Источники информацииInformation sources

1. Fowler R.H., Nordheim L.W. // Proc. R. Soc. London. A. 1928. V. 119. P. 173.1. Fowler R.H., Nordheim L.W. //Proc. R. Soc. London. A. 1928. V. 119. P. 173.

2. Brodie I., Spindt C.A. //Microelectronics. Advances in Electronics and Electron Physics, 1992, v. 83, p. 101-107.2. Brodie I., Spindt C.A. //Microelectronics. Advances in Electronics and Electron Physics, 1992, v. 83, p. 101-107.

3. Патент США US 2014270087 (A1) (МПК H01J 35/06, опубликовано 18.09.2014 г.),3. US Patent US 2014270087 (A1) (IPC H01J 35/06, published 09/18/2014),

4. Zeng and Z. Ren. Field emission of carbon nanotubes in NanoScience in Biomedicine (Springer, 2009).4. Zeng and Z. Ren. Field emission of carbon nanotubes in NanoScience in Biomedicine (Springer, 2009).

5. W. Wei, Y. Liu, Y. Wei, K. Jiang, L.-M. Peng, and S. Fan, Nano Lett. 7(1), 64-68 (2006). https://doi.org/10.1021/nl061982u5. W. Wei, Y. Liu, Y. Wei, K. Jiang, L.-M. Peng, and S. Fan, Nano Lett. 7(1), 64-68 (2006). https://doi.org/10.1021/nl061982u

6. W. Wei, J. Kaili, W. Yang, L. Ming, Y. Haitao, Z. Lina, L. Qunqing, L. Liang, and F. Shoushan, Nanotechnology 17(8), 1994 (2006). https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/8/033.6. W. Wei, J. Kaili, W. Yang, L. Ming, Y. Haitao, Z. Lina, L. Qunqing, L. Liang, and F. Shoushan, Nanotechnology 17(8), 1994 (2006). https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/8/033.

7. Патент RU 2 455 724 C1. Опубликовано: 10.07.2012 Бюл. №19. Структура и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий. Авторы: Красников Г.Я., Зайцев Н. А., Орлов С.Н., Хомяков И.А., Яфаров Р.К.7. Patent RU 2 455 724 C1. Published: July 10, 2012 Bulletin. No. 19. Structure and method of manufacturing integral field emission elements with emitters based on nanodiamond coatings. Authors: Krasnikov G.Ya., Zaitsev N.A., Orlov S.N., Khomyakov I.A., Yafarov R.K.

8. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. Москва, "Наука", 1983 г.8. Blokhintsev D.I. Fundamentals of quantum mechanics. Moscow, "Science", 1983

9. Яфаров Р.К. Физика СВЧ вакуумно-плазменных нанотехнологий. М.: Физматлит, 2009. 216 с.9. Yafarov R.K. Physics of microwave vacuum-plasma nanotechnologies. M.: Fizmatlit, 2009. 216 p.

Claims (2)

1. Способ повышения плотности тока и крутизны ВАХ полевых источников электронов на основе углеродных покрытий, отличающийся тем, что в качестве эмиттера электронов используют трехслойную углеродную гетероструктуру, в которой в одном вакуумном технологическом цикле на нижний обогащенный электронами слой последовательно осаждают обедненный электронами слой толщиной 4-6 нм и верхний обогащенный слой, аналогичный нижнему, толщиной 40-60 нм.1. A method for increasing the current density and slope of the current-voltage characteristics of field electron sources based on carbon coatings, characterized in that a three-layer carbon heterostructure is used as an electron emitter, in which in one vacuum technological cycle an electron-depleted layer 4-thick is sequentially deposited onto the lower electron-enriched layer. 6 nm and an upper enriched layer, similar to the lower one, 40-60 nm thick. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трехслойную углеродную гетероструктуру получают в микроволновой плазме паров этанола при температуре (300±10)°С при давлении 0,07-0,10 Па и смещении на подложкодержателе в интервале +200…+300 В для обогащенных электронами слоев и при давлении 0,01-0,02 Па и смещении -200…-300 В для обедненного промежуточного слоя.2. The method according to claim 1, characterized in that a three-layer carbon heterostructure is obtained in a microwave plasma of ethanol vapor at a temperature of (300±10)°C at a pressure of 0.07-0.10 Pa and a bias on the substrate holder in the range of +200...+ 300 V for electron-rich layers and at a pressure of 0.01-0.02 Pa and a bias of -200...-300 V for a depleted intermediate layer.

Images