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

На правах рукописи

Кулешов Александр Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В СТРУКТУРАХ ДЛЯ ПРИБОРОВ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ АВТОЭМИССИИ И ВТОРИЧНОЙ ЭМИССИИ ЭЛЕКТРОНОВ из АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 5 /¡Г:0 ¿^ 15

Москва - 2014

005557861

005557861

Работа выполнена в:

Национальном исследовательском

университете «МИЭТ»

на кафедре «Квантовой физики и наноэлектроники»

Научный руководитель:

Ильичев Эдуард Анатольевич,

доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты:

Шешин Евгений Павлович,

доктор физико-математических наук, профессор,

заместитель заведующего кафедрой вакуумной электроники МФТИ (ГУ)

Ральченко Виктор Григорьевич,

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией алмазных материалов института общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Ведущая организация: АО «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники»

Защита состоится «(¿3» О Ъ 2015 года час.^мин. на заседании диссертационного совета Д212.134.01 в ауд. 3103 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ» и на сайте www.miet.ru

Автореферат разослан « ЪЦ » 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор КрУпкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Повышение функциональной сложности и быстродействия электронных схем и устройств до последнего времени достигалось за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов лежащих в основе их работы. Однако, дальнейшее развитие электронных устройств, особенно их сильноточного и высоковольтного СВЧ-сектора, потребовало разработки новых материалов и технологий, положенных в основу работы электронной компонентной базы (ЭКБ). Большая часть электронных устройств для технических систем, работающих на больших частотах и мощностях в настоящее время реализуется на материалах группы А3В3 По прогнозам специалистов, высокое быстродействие ЭКБ на таких твердых растворах как ОаАэМЛАз, ОаАз/1пА1Аз, и СаКМЛЫ удовлетворит требования со стороны технических систем на мощные высокодобротные и высокочастотные электронные устройства с рабочими частотами до -40-50 ГГц, и мощностями до ~ 20 Вт/кристалл. Из диаграммы (рисунок 1) сравнительной эффективности материалов при их использовании в СВЧ-приборах и устройствах, построенной с учетом их «прозрачности» для рабочих частот, ширйны запрещенной зоны и коэффициента теплопроводности, следует, что безусловными лидерами в СВЧ-применениях являются алмаз и нитрид галлия.

юоо

Частота, ГГц

Рис. 1. Сравнительные характеристики эффективности использования различных материалов в мощных СВЧ-устройствах.

Нитрид галлия и твердые растворы на его основе изобилуют структурными дефектами, технология их выращивания достаточно сложна, а подложечный материал является дорогостоящим.

Углеродные материалы, такие как алмаз, графен, углеродные наноструктуры [1], также пока несовершенны, их технология не оптимизирована, а приборные разработки находятся в стадии исследований. Так, отсутствуют регулярные методы, позволяющие формировать углеродные йанотрубки (УНТ) либо графеновые пленки с приемлемыми характеристиками и заданным месторасположением. Алмаз для полупроводниковой электроники интересен рядом уникальных свойств: достаточно высокая подвижность электронов и дырок (~ 2000 см2/В-с), высокая электрическая прочность (~ 107В/см), уникальная теплопроводность (до 2000 Вт/м-К) [2]. Определенные грани алмазных кристаллитов (например, ориентации (111), (100)) могут иметь отрицательное сродство к электрону, а гидрогенизация поверхности алмазной пленки, значимо влияет на характер зонной диаграммы и позволяет формировать каналы поверхностной проводимости [3].

Совокупность уникальных свойств алмаза делает его перспективным для разработки высокотемпературной и радиационно-стойкой электроники, в том числе силового СВЧ-сектора, работающего при повышенных температурах (> 500°С) и частотах, превосходящих 100 ГГц.

Однако, несмотря на многолетние усилия, реализовать потенциал физико-химических свойств алмаза в мощных высокочастотных приборах до сих пор не удалось, что и предопределяет тему диссертации. В то же время необходимость в развитии радиолокации, спутниковой связи, высокоточного оружия, скоростного интернета требует освоения частотного диапазона 0,1-1 ТГц.

Сегодня существует ряд задач, решить которые не удается в рамках твердотельной электроники. К ним относятся разработки электронной компонентной базы СВЧ и микроволновой электроники для сильноточных высоковольтных технических систем, которые осуществляются в рамках вакуумной силовой электроники [4]. Основным функциональным узлом, определяющим качество вакуумных приборов, являются термоэлектронные катодно-сеточные узлы. Работа последних является энергозатратной, их масса и габариты чрезмерно велики, им свойственны значительная инерционность и низкая

добротность. Таким образом, актуальной является разработка для приборов вакуумной силовой электроники компактных катодно-сеточных узлов с плотностью тока > 10 А/см2 при выходной мощности на сотни ватт.

Реализовать потенциальные возможности алмаза для освоения терагерцового диапазона можно посредством его использования при создании автоэмиссионных катодов. Возникшая как катоды Спиндта [1] несколько десятилетий назад, эмиссионная электроника продолжает интенсивно развиваться и в наши дни [5]. Смена термокатодов на автокатоды и использование технологии для

микроэлектромеханйческих систем (МЭМС) позволяют рассчитывать на реализацию как гибридных компактных мощных СВЧ-приборов, так и схем в интегральном исполнении (лампы бегущей волны (ЛБВ) и клистроны). Основной причиной, сдерживающей такой сценарий развития, является отсутствие автоэмиттеров, обеспечивающих большие плотности тока. Хотя рекордная плотность тока установлена в 2000 А/см , однако интегральный ток автокатода не превышает величину в 0,2 А [6].

Отметим ряд подходов к решению обсуждаемой проблемы. Один из них связан с разработкой полевых эмиттеров на основе алмазных катодов Спиндта. Лучшие результаты здесь получены учеными лаборатории Diamond Microelectronic Laboratory университета Vanderbilt University [7] и исследователями лаборатории Semiconductor Technologies R&D Laboratories [8]. В университете Vanderbilt автоэмиссионный катод имел максимальную плотность тока 15 А/см2 но при абсолютном значении тока всего лишь в 15 мА. Исследователи из Semiconductor Technologies R&D Laboratories разработали оригинальную технологию формирования острий в форме матриц из наноконусов (дисперсия высот ~ 4.9%) [8], причем в качестве исходного материала взята поликристаллическая алмазная пленка р-типа с отполированной поверхностью. Роль управляющего электрода играет сетка с круглыми отверстиями, в центре которых располагаются верхушки алмазных конусов. Из-за возникающих «закороток» в цепях управляющий электрод - эмиттер, автокатоды лаборатории Semiconductor Technologies R&D Laboratories имеют площадь не более 0,01 мм . Результаты, полученные в Diamond Microelectronic Laboratory являются, на сегодня, наиболее значимыми, пЬэтому разработчики из Vanderbilt University привлечены к участию в проекте DARPA по созданию усилителя бегущей волны на 200 ГГц [9].

Таким образом, в основе успеха разработки мощной, температурно- и радиационно-стойкой электроники для частотного диапазона 0,1-1 ТГц лежит необходимость реализации автоэмиттеров с плотностью тока ~ 100 А/см2 и более, при абсолютных значениях тока автокатода —0,1 - 1,0 А. Научная составляющая актуальности обусловлена тем, что необходимо найти новые принципы построения автоэмиттеров, обеспечивающих большие плотности тока при уменьшении деградационных процессов углеродных автоэмиссионных катодов.

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

Материалы диссертационной работы включают теоретические и экспериментальные результаты исследований, а также разработку базовых конструкций и технологий эмиссионных элементов и приборов. Особое значение придается созданию сильноточных автоэмиссионных узлов, обеспечивающих плотность эмиссионного тока более 100 А/см2 на площади более 0,1 мм2, которые позволят получить эмиссионные СВЧ-приборы с триодными характеристиками, с высоким сопротивлением в области насыщения и приемлемы для технических приложений коэффициентом усиления.

Научная новизна:

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

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

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

4. Разработана математическая модель комбинированного автоэмиттера в составе автокатода и управляющего электрода

на основе графеноврй пленки, обеспечивающего плотность эмитируемого тока до 100 А/см2.

Достоверность и обоснованность результатов

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

Практическая значимость

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

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

На защиту выносятся следующие положения

1. Аналитическое решение уравнения Бете, полученное с использованием главного значения интегральной логарифмической функции, позволило рассчитать зависимость глубины проникновения высокоэнергетических электронов в алмаз в диапазоне энергий 1-13 кэВ с точностью около 5%, по сравнению с результатами, полученными посредством моделирования поведения электронов методом Монте-Карло.

2. Результаты исследований и принятые на их основе конструктивно-технологические решения для умножителя-концентратора потока электронов показали, что данный прибор позволяет увеличить плотность потока первичных электронов

более чем в 20 раз и разработать вакуумные эмиссионные приборы с триодными характеристиками для частот порядка 100 ГГц и более.

3. Результаты физико-математического моделирования процессов автоэлектронной эмиссии и пространственного распределения электронов в комбинированном автоэмиттере на основе алмазных микроконусов и управляющего графенового электрода, показывают возможность обеспечить плотность автоэмиссионного тока вплоть до 100 А/см2.

Апробация работы Данная работа выполнялась в рамках НИР

«Разработка и исследование однокристальной схемы умножителя потока электронов на основе углеродных наноструктур и алмазных пленок» по ГК№ 02.740.11.0115 от 15.06.2009;

«Разработка и исследрвание технологии формирования графеновых структур для приборных применений» по ГК № 14.740.11.0060 от 06.09.2010.

Основные результаты работы доложены автором на следующих конференциях и семинарах:

• International conference "Micro- and nanoelectronics - 2009". Moscow - Zvenigorod, Russia, 5th-9th october, 2009;

• International conference "Micro- and nanoelectronics - 2012". Moscow - Zvenigorod, Russia, lst-5th october, 2012.

• V Всероссийская молодежная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики - Москва, ФИ АН, 10-15 ноября, 2013.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 статей в рецензируемых российских научных журналах, входящих в перечень ВАК, 1 статья в иностранном журнале.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, содержит 125 страниц машинописного текста, включая 2 таблицы, 59 рисунков и список литературы из 65 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается тема диссертации, ее актуальность и практическая значимость, формулируется цель работы, приводятся

работа^6 На 3аЩИТУ ПОЛОЖения' кРатко излагается содержание

В первой главе обсуждается механизм вторичной эмиссии и его использование для усиления электронного потока с помощью алмазной мембраны. Для усиления первичного потока электронов используется поликристаллическая алмазная пленка р-типа проводимости, которая может быть выращена на несущей подложке с использованием массива зародышей а затем, например, посредством плазмохимического травления (ПХТ), сформирована в виде мембраны. Некоторые грани кристаллитов алмаза обладают отрицательным (или небольшим положительным) сродством к электрону. Алмазную мембрану помещают в вакуум, а усиливаемый поток первичных электронов с энергией Е направляют на поверхность. При взаимодействии электронов с веществом мембраны каждый электрон рождает, в среднем, одинаковое количество п электронов и дырок (п~Е/ЗЕ 'для алмаза 3£г~15эВ). Неравновесные электроны, рожденные' на расстояниях меньших диффузионной длины, благодаря отрицательному сродству к электрону для некоторых граней кристаллитов поликристаллической алмазной пленки, с большой вероятностью В зависящей от технологии формирования пленки покидают ее в вакуум' и участвуют в процессах транспорта заряда. Таким образом, реализуется усиление первичного потока электронов. Исследуем поведение электронов.

Для электрона с энергией Е, при движении в веществе с числом N рассеивающих атомов (в м3) вероятность потери энергии на 1 м пробега ДЛЯ электрона дается выражением Бете [10]

" [25 - 52 ]■ 1п 2 + 52|, (1.1)

где 5 = (1-V2 /Сд)0 5, Е - энергия ионизации, е - заряд электрона, 2 - заряд ядра, е0 - диэлектрическая постоянная вакуума, т0 - масса покоя электрона, V - скорость электрона, с0 - скорость света. Выражение (1.1) можно рассматривать как дифференциальное уравнение За независимую переменную была взята энергия Е, а за зависимую - путь /

/ (471£0)2£2 _ „2

Произведя замену переменных д: = — ,*о =-2-,\п = Ь{ , при

х0 2кЫе гЫ2

, т

начальных условиях 1(Е0) = 0, получим уравнение в виде -— = 1п«.

Формальное решение этого уравнения //(ЭТ0)-//(91) = х. Находим решение, выраженное через главное значение интегральной показательной функции Е1{х) в виде £/'(1п 9?0) - £/(1п 9!) = х Для энергий 0-10 кэВ ионизация электронов в основном происходит с внешних электронных оболочек и для этих ионизационных потенциалов можно интегральную показательную функцию заменить на элементарные функции т.к. е~хЕ1(х)х~ 1. Окончательно для средней глубины проникновения получаем выражение; (1.2).

На рисунке 2 представлена зависимость средней глубины проникновения 1С от энергии первичного электрона Е0.

Е о, кэВ

Рис. 2. Энергетическая Е0 зависимость глубины проникновения /с Первичных электронов в алмазную пленку: 1 - результаты, полученные в данной работе; 2 - результаты, полученные по формуле Канайя-Окаяма; 3 - результаты, полученные методом Монте-Карло.

На этом же рисунке в виде «квадратов» представлены результаты полученные методом Монте-Карло, которые были получены учеными из Naval Research Laboratory с помощью программы CASINO (см рисунок 3). Результаты, представленные в диссертационной работе на основе аналитического выражения (1.2) [10], дают совпадение с результатами численного моделирования с точностью до 5%. В то же время формула, ранее полученная Канайя (Капауа) и Окаяма (Okayama) [11], обеспечивает меньшую точность (график функции, представляемой этой формулой, также изображен на рис. 2 в виде пунктирной линии).

Е„ = 1 kev Е0 = 3 keV ЩЯКГ":--

■ 10% 25% 504 JSH

90%

"iio.e г

Рис. 3. Результат моделирования проникновения электрона в алмаз.

Рожденные вторичные электроны диффундируют и дрейфуют в объеме пленки, в том числе и в направлении границы пленка/вакуум. Вероятность выйти в вакуум будет определяться их подвижностью и диффузионной длиной. Как известно, диффузионная длина определяется выражением

¿ = (1.3)

где й - коэффициент диффузии, т - время жизни носителей заряда. Воспользуемся соотношением Эйнштейна Б/\х = кТ/е. Здесь

Т - абсолютная температура, к - постоянная Больцмана, е - заряд электрона. Для абсолютной температуры 300 К:

(1.4)

где ц - подвижность носителей заряда; ц, т, и Ь соответственно имеют размерности [см7В-с], [с], [мкм].

Для алмазных поликристаллических пленок подвижность электронов ц составляет 0,1 - 1 см2/В-с, а время жизни Ю-9 - 10 8 с [12], а в монокристаллических пленках эти величины на порядки больше, в

частности, подвижность может достигать 2000 см2/В-с [13]. В рамках данного исследования мы будем рассматривать, в основном, поликристаллические пленки, полученные методом РЕСУБ, поэтому из (1.4) следует

0,016 [мкм] <1< 0,16 [мкм]. (1.5)

Если вторичные электроны рождаются только в приповерхностных кристаллитах, т. е. если глубина проникновения первичных электронов /„, меньше, чем размеры кристаллитов с1с, то электрон, движущийся по нормали к поверхности, будет вести себя как в монокристалле. Тогда для определения диффузионной длины Ь для оценок можно использовать значения подвижности равные 100 - 1000 см2/В-с. Неравенство (1.5) тогда перейдет в

0,5 [мкм] <Ь < 5 [мкм]. (1.6)

Во второй главе рассматривается катодно-сеточный узел (КСУ) как базовый элемент приборов вакуумной электроники (триодов, клистронов, малогабаритных рентгеновских трубок, катодов для сканирующих электронных микроскопов).

Исследуемый КСУ должен обеспечить возможность подачи наносекундных импульсов управления, достаточный ток и удобное размещение испытуемого элемента. Схематическое изображение конструкции, удовлетворяющей приведенным требованиям, представлено на рисунке 4.

Рис. 4. Конструкция КСУ: 1 - корпус; 2 - коаксиальный вход; 3 - автоэмиттер; 4 - сетка; 5 - выходное отверстие. Коаксиальный характер конструкции обеспечивает подачу импульсов управления длительностью до 0,1 не. В качестве катода в КСУ использовался эмиттер ТВ-211 фирмы HeatWave Labs Inc., с

плотность тока эмиссии до 100мА/см2 при напряженности поля 5-10 В/мкм. Для разработки КСУ проведены расчеты траекторий электронов в зависимости от управляющих напряжений, - принималось во внимание, что эмитируемые с поверхности электроны должны достигать выходное отверстие, не касаясь стенок КСУ. Оптимальное расположение траекторий в зависимости от конструктивных параметров КСУ получено путем моделирования движения электронов с помощью

На

комплекса рисунке 5 траектории, при удалении электрода (сетки) на

расчеты получения волнового на входе

нянвняя " .";::"**::;.....

:.:'/■■■ г-:::;-:!: :->

_

■ШШМШ

Я

Рис. 5. Расположение траекторий электронов при расстоянии сетка-ка.топ 550 мкм.

программного «SIMION-8». изображены полученные управляющего от поверхности катода расстоянии 550 мкм.

Проведенные показали, что для входного

сопротивления 50 Ом КСУ и сконцентрированного потока электронов на выходе катодно-сеточного узла,

оптимизированные

конструктивные параметры КСУ должны иметь следующие величины: Di = 3 мм, D2 = 6 мм, £>з = 20 мм, £>4 = 2 мм, D5 = 6 мм,

¿1 = 6,5 мм, ¿2 = 6 мм,

¿з = 0,5 мм. Используя эти параметры как исходные, и используя автокатод ТВ-211 фирмы HeatWave Labs Inc., мы изготовили КСУ, и на его базе создали базовый макет (стенд) для исследований эмиссионных вакуумных элементов.

Стенд был использован также для непосредственного измерения характеристик КСУ.

КмА)

ЕЛ" \

Ток к яг од» /

Ток сел II у/

Е,(В)

Рис. 6. ВАХ катодно-сеточного узла.

ВАХ катодно-сеточного узла приведены на рисунке 6, здесь Еа - напряжение на аноде, расположенном от выхода КСУ на расстоянии 1 мм, Ее - напряжение на управляющем электроде (сетке).

Третья глава диссертации посвящена исследованию умножителя-концентратора электронного потока (УКЭ). Показано, что на основе УКЭ можно создавать вакуумный эмиссионный триод, матричный усилитель электронного потока, матричные детекторы ультрафиолетового излучения и т.д.

УКЭ представляет сквозное сужающееся отверстие в проводящей пластине. Стенки отверстия покрыты поликристаллической алмазной пленкой р-типа проводимости. Первичный поток электронов, проникающий в отверстие со стороны широкой части конструкции УКЭ, падает на покрытые алмазной пленкой стенки отверстия и рождает в ней вторичные электроны. Часть вторичных электронов, в силу небольшой работы выхода электрона из алмаза, покидает пленку и образует в пространстве отверстия электронный газ, который посредством дрейфа и диффузии выходит через узкую часть отверстия.

На рисунке 7а схематически изображена одна из возможных конструкций УКЭ, а на рисунках 76 и 7 в дана ее реализация в кремниевой пластине р-типа проводимости толщиной 470 мкм. Отверстие формируется селективным травлением и имеет форму четырехгранной усеченной пирамиды, грани которой наклонены к основанию под углом 54,7°. Входное отверстие имеет размеры 1,1 х 1,1 мм2.

Рис. 7. Умножитель-концентратор электронного потока (УКЭ). а) Схематическое изображение УКЭ; б) и в) - РЭМ-изображения реализованного УКЭ.

Методом СУБ на стенках отверстия сформирована поликристаллическая алмазная пленка /?-типа проводимости толщиной

3 - 5 мкм (см. рис. 7в). Данная пленка была получена PECVD-методом при следующих условиях: СВЧ-мощность W~ 1 - 2 кВт, давление газа в реакторе Р- 70 - 80 Topp, температура образца Т =750 - 850°С. Для уменьшения эффекта зарядки в процессе измерений полученная алмазная пленка в процессе роста была легирована бором. Алмазная пленка ^имела следующие параметры: концентрация дырок пр 5-10 см , подвижность свободных носителей заряда до 3 - 4 см В с" . Рамановский спектр данной пленки представлен на рисунке 8.

При падении на алмазную пленку электрона (см. рис. 7а) в ней рождаются пары электрон-дырка в количестве Ne приблизительно даваемом соотношением Ne = Eo/3Es, где Е0 - энергия падающего на пленку электрона, а Eg - величина запрещенной зоны. Для алмаза Eg- 5,4 - 5,5 эВ, поэтому при 1 кэВ каждый первичный электрон рождает приблизительно до 60 вторичных электронов. Как было показано в главе 1, если глубина проникновения первичных

электронов /„, меньше диффузионной длины L, то значительная часть вторичных электронов выйдет в вакуум.

Показано [14], при перпендикулярном падении

электронов на алмазную

« 4000 ¥

£ ХОО

600 800 1 000 1203 1400 1600 1000 2000 ' 2200 Комбинационный сдвиг, см'

Рис. 8. Рамановский спектр алмазной пленки УКЭ.

поверхность, что доля вторичных электронов к, выходящих в вакуум, может быть представлена следующим образом:

к = В

ехр — —

0.045£д6

(3.1)

(3.2)

где В - вероятность выхода электрона в вакуум, если он находится у поверхности, Ь - диффузионная длина электрона, р - плотность алмаза. Величины Е0, I, 2й, р измеряются в [кэВ], [мкм], [мкм], [г/см3] соответственно. Каждый первичный электрон с энергией Е0 порождает в

вакууме Nv = kNe вторичных электронов. Nv как функция Е0 имеет максимум Nmax при Е0 = Етш:

£raax=12.3L0625, (3.3)

Nmax= 640BL°625, (3.4)

Проведенные исследования [14] показали, что вероятность выхода электрона в вакуум В для поликристаллической алмазной пленки, в зависимости от технологии, имеет следующие значения: 0,02 - 0,07 для чистой поверхности; 0,2 - 0,4 для гидрогенизированной поверхности; 0,5 - 0,6 для цезированной поверхности.

Если траектория первичного электрона образует с нормалью к поверхности угол [3, то необходимо заменить в уравнениях (3.1), (3.3) и (3.4) значение L на LI cos р. В данном случае Nv определяется следующим образом:

V9"

3 Е

g

1 - ехр

, cos /?

(3.5)

Приняв во внимание, что диффузионная длина электронов в поликристаллической алмазной пленке толщиной 3-5 мкм, выращенной методом РЕСУБ находится в пределах Е = 0,016 0,16 мкм, получим для УКЭ следующее выражение:

У„ = если Е0< 1.2 кэВ. (3.6)

Если размер поверхностных кристаллитов меньше диффузионной длины, то можно полагать Ь = 0,5 5 мкм, а тогда (3.6) будет справедливо и при Е0 < 5 * 10 кэВ.

Для моделирования УКЭ как усилителя и концентратора потока электронов использовался программный комплекс "БМКЖ 8", предназначенный для вычисления электрических полей и траекторий заряженных частиц в этих полях при заданной конфигурации электродов и напряжений. На рис. 9 схематически представлены используемая при моделировании геометрия УКЭ (в разрезе) и траектории первичных электронов.

Результаты моделирования представлены на рис. 10 в виде кривой 2, которая показывает зависимость коэффициента усиления плотности потока электронов. При моделировании принималось, что вероятность выхода электрона из алмаза в вакуум равна В = 0,2 при энергии первичных электронов 0,9 кэВ.

КСУ

УКЭ

Рис. И. Схема измерения характеристик УКЭ с помощью КСУ.

_В диссертации показано, что на основе УКЭ можно разработать приборы для частотного диапазона в сотни гигагерц [15] и с указанной плотностью тока.

В качестве одного из таких приборов ниже рассматривается вакуумный эмиссионный триод (ВЭТ) - устройство, состоящее из автокатода, УКЭ, управляющей сетки и анода.

На рисунке 12 показана одна из предлагаемых нами конструкций гибридного варианта ВЭТ. Здесь 1 - подложка, на которой сформирован источник первичных электронов; 2 - автокатод; 3 - пластина кремния с УКЭ; 4 - УКЭ; 5 - монокристаллическая алмазная пленка р-типа проводимости; 6 - управляющий электрод; 7 - изолирующие слои-8 - анод; 9 - гальваническая связь уровней металлизации.

Рис. 9. Геометрия УКЭ и Рис. 10. Зависимость коэффициента траектории первичных усиления К от напряжения на аноде V,-электронов. 1- экспериментальная,

2- расчетная.

Экспериментальное исследование УКЭ было проведено с помощью КСУ и стенда описанного в главе 2 (рис. 11) Результаты экспериментальных исследований представлены также на рис 10 кривая 1. Сравнение экспериментальных данных с расчетными показали совпадение не хуже 20%.

а) б)

Рис. 12. Вакуумный эмиссионный триод (ВЭТ). а) Принципиальная конструкция ВЭТ, б) трехмерное представление интегральной конструкции ВЭТ.

Для рассмотренной конструкции ВЭТ с помощью программного комплекса "БГМКЖ 8" были рассчитаны ВАХ. Исследовались траектории вторичных электронов от момента их выхода из алмаза в вакуум до момента достижения ими анода или алмазного покрытия (при отрицательных напряжениях на сетке). Типичный вид ВАХ представлен на рис. 13.

->-Ус»-1 — Ус=0 УсИ

..... Ус=2

-»--Ус-З Ус-4 —-Ус-5

Рис. 13. Расчетная ВАХ вакуумного эмиссионного триода (ВЭТ): /а - ток анода, Ка - напряжение на аноде, Ус - напряжение на сетке.

Ток на ВАХ представлен в относительных единицах. Это связано с тем, что количество генерируемых в УКЭ электронов определяется количеством первичных электронов, а последнее зависит от используемого автоэмиттера первичных электронов. ВЭТ был не только сконструирован и рассчитан, но изготовлен и экспериментально исследован. ВАХ вакуумного эмиссионного триода представлены на рис. 14.

1А(от.ед.

1.!

'X

Ь к" и 6

1

/

— ь г(

-5-4-3-2-1 0 3 4 5

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0, 0.2^

(от. щ.)

--3

10

а)

15 б)

20 ЕЛ(В)

Рис. 14. Экспериментальная ВАХ вакуумного эмиссионного триода: а) зависимость тока анода от напряжения на сетке; б) зависимости тока анода от напряжения на аноде при разных напряжениях на сетке.

ВАХ вакуумного эмиссионного триода имеют пентодный характер, а максимальный анодный ток достигается при напряжении на сетке +5 В. Анализ результатов исследований позволяет выявить как эффекты насыщения анодного тока при больших анодных напряжениях, так и наличие остаточного тока 1Атт при отрицательных напряжениях на сетке. Причиной отличия экспериментальных данных от теоретических оценок может быть захват и накопление отрицательного заряда в алмазной пленке в процессе работы ВЭТ.

В четвер^й главе рассматривается комбинированный автоэмиттер (КАЭ), разработанный на основе алмазных микроконусов и пленок графена. Такой КАЭ позволит достичь плотности тока эмиссии до 100 А/см2, и представляет возможность разработать клистроны и ЛЕВ терагерцового диапазона.

Поскольку графен обладает высокой проводимостью и хорошей проницаемостью для электронов, то он почти идеально может выполнять роль сетки, используемой для стимуляции полевой эмиссии электронов. Считая, что ослабление энергии электрона при его прохождении через пленку графена равно ослаблению в графите соответствующей толщины, получаем следующую зависимость между энергией Е0 электрона, падающего нормально на пластинку (пленку) толщиной Д/, и энергией электрона при выходе электрона из пластинки

Еа

2.2-10"

'к

хсЬс

■1.41п(*/0+1

= Д/[нм],

(4.1)

Здесь, размерности Е0, Е\, Е,0„ берутся в эВ, а Д/ - в нм. Для монослоя из графена толщина 0.146 нм, поэтому из (4.1) получаем, что для электронов с энергией Е0 = 60 эВ пленка графена практически прозрачна. Показано, что чем больше энергия электрона, тем меньше потери им энергии при прохождении графенового электрода. Заметим, применение металлических сеток в сильноточных КСУ крайне нежелательно, так как при возрастании энергии электронов сетка нагревается и «провисает», что ведет к закоротке с автокатодом.

Автором была экспериментально исследована проницаемость графена для электронов. При исследовании мозаика из пленок графена размещалась на медной сетке диаметром ~3мм, шагом ~ 12 мкм и размером ячеек ~7><7 мкм2 (см. рис. 15а). Результаты эксперимента представлены на рис. 156. Кривая 1 представляет экспериментальную зависимость, а кривая 2 - результаты, полученные расчетным путем для пленки из 6-ти слоев графена. Заметим, в экспериментах, для значений энергии 440 - 540 эВ отношение выходящего потока электронов к входящему превышает единицу, что на первый взгляд представляется парадоксальным. Объяснить этот парадокс можно тем, что проходящие графен электроны частично тратят энергию также и на рождение вторичных электронов, увеличивая тем самым их общее число. При увеличении энергии первичных электронов растет прозрачность графеновой пленки, отдаваемая ими энергия уменьшается и,

Рис. 15. Исследование прохождения электронов через графен: (а) - графен на медной сетке; (б) - прохождение потока электронов через

графеновые слои. К0 для кривой 1 - отношение выходящего потока электронов к входящему, для кривой 2 - отношение энергии электрона, выходящего из графена, к энергии электрона, падающего на этот слой.

__ Используемым в наших экспериментах пленкам графена свойственны значительные недостатки: поликристалличность, многослойность, наличие посторонних включений. Можно ожидать что более совершенные графеновые пленки позволят уменьшить рабочие —ия до значений существенно меньших 100 В (до десятка

На рис. 16 показана конструкция ячейки комбинированного автоэмитгера, в которой графеновая пленка используется как

?ХТТИИ ТКТрОД' Здесь 1 " К0нУсо°бразный микроэмиттер ™Э); 2 -/Рафеновый электрод; 3 - диэлектрик; 4 - проводящая подложка. Графеновый электрод имеет предельные конструктивные параметры, чего нельзя сказать о конструкции КМЭ и их расположения Поэтому в диссертации задаче оптимизации эмиссионных свойств конусообразных микроэмиттеров придается особое значение Возможные формы КМЭ изображены на рис. 17.

Т

: . - : 4

1 - - ' : ' .V. ' ч ' . ■ . , |

Рис. 16. Конструкция КАЭ с

графеновым управляющим электродом.

Для получения оптимальных параметров ячейки была разработана методика расчета эмиссионных характеристик ячейки. Методика включает разработанные в рамках диссертации аналитические модели'

- модель прохождения электрона с определенной энергией через пленку графенового электрода;

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

Расчет плотности тока существенно опирается на теорию Фаулера-Нордгейма и вычисление напряженности поля Е(г) у вершин КМЭ.

Исцользуется полученное Фаулером и Нордгеймом следующее выражение для плотности эмиссионного тока /(£):

у = ^егЕ/Ф, (4.2)

КЕ) =

.3 г?2 Г

е'Е

16л ЙФ/ (_у)

4л/2от"ф' 3 ПеЕ

Рис. 17. Формы конусообразных микроэмиттеров.

где Е - напряженности электрического поля, Ф - работа выхода электрона, Н - постоянная планка, г - заряд электрона, т - эффективная масса электрона равная 0,57-т0 для алмаза, г(у) и v(y) - соответствующие эллиптические интегралы. Величины, входящие в (4.2), имеют размерности в системе СГСЕ.

Вычисление напряженности Е(г) поля у поверхности микроострий осуществлялось с помощью программного комплекса "81МКЖ 8". Чтобы полученные числовые значения функции Е(г) использовать в аналитических моделях, функции Е(г) были заменены соответствующими аппроксимированы степенными многочленами.

Эмиссионные свойства ячейки комбинированного автоэмиттера определяются не только геометрией КМЭ, но и их взаимным расположением. Поэтому в диссертационной работе изучались эмиссионные свойства ячейки в зависимости от расстояния между конусообразными микроэмиттерами при двух конфигурациях взаимного расположения КМЭ: шахматной и квадратной (см. рис. 18).

Расчеты плотности тока КАЭ для разных размеров конусообразных микроэмиттеров проделаны для обоих типов размещения КМЭ

(а) (б)

Рис. 18. Расположение КМЭ в ячейке КАЭ: (а) - шахматное расположение; (б) - квадратное расположение.

Микроэлектронные технологии позволяют формировать КМЭ субмикронных размеров (вплоть до 20 - 30 нм). КМЭ в форме алмазных пирамидок или конусов экспериментально показали достаточно высокую плотность эмиссионного тока, более 10 А/см2 [8, 16]. Проведенные нами расчеты показали, что рассматриваемая ячейка эмиттера может обеспечить плотность тока вплоть до 100 А/см (см. рис. 19).

/,'А/5М 140

120

100

-^ /У/,

-/)'=-50нм -Л = 65км -Л-='110-ну

- Л-=-136-

- л =-162 нч -Л'=-19б-нм -)1~222-им

110 115 120 125 У.-В

Рис. 19. Зависимость плотности тока эмиссии от напряжения на аноде для разных высот КМЭ (шахматная конфигурация, расстояние анод-вершина 100 нм, работа выхода электрона из алмазной пленки - 4 эВ).

Основные результаты и выводы

• На основе формулы Бете проведен расчет и исследована динамика поведения первичных и вторичных электронов в алмазе. Получены расчетные формулы, позволяющие определить коэффициент вторичной эмиссии в зависимости от энергии первичных электронов, «бомбардирующих» поверхность алмаза.

• Разработан умножитель-концентратор потока электронов (УКЭ), позволяющий увеличить плотность потока первичных электронов в 20 - 30 раз. На базе УКЭ разработан вакуумный эмиссионный триод (ВЭТ) и рассчитаны его характеристики. Изготовлен опытный образец ВЭТ и экспериментально изучены его характеристики. В диссертации показано, что управляющие напряжения не превышают 10 В, и ВЭТ может работать в терагерцовом диапазоне частот.

• Разработан и изготовлен коаксиальный катодно-сеточный узел для экспериментального исследования элементов и приборов вакуумной эмиссионной электроники.

• Экспериментально и теоретически исследовано прохождение электронов через графеновую пленку, падающих с определенной энергией на его поверхность; получены аналитические зависимости для оценки необходимой энергии электронов при их проникновении через графеновый электрод.

• На основании математического моделирования получены эмиссионные характеристики базовой ячейки

комбинированного автоэмиттера, что позволило сделать вывод о том, что предлагаемая конструкция ячейки обеспечивает плотность автоэмиссионного тока вплоть до 100 А/см .

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Е. Il'ichev, A. Kuleshov, Е. Poltoratskii, G. Rychkov, The amplifier-concentrator as the base element of the emission electronics // International conference "Micro- and nanoelectronics 2009", RAS RFBR, Moscow - Zvenigorod, October 5-9, 2009, Pl-24.

2. Э.А. Ильичев, A.E. Кулешов, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Умножитель-концентратор электронов для автоэмиссионной интегральной электроники // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 1, стр. 44-51.

3. Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, Э.А. ПЬлторацкий, Г.С. Рычков, Вакуумный эмиссионный триод на основе умножителя-концентратора электронов // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 20, стр. 15-20.

4. Е.А. Il'ichev, А.Е. Kuleshov, Е.А. Poltoratskii, G.S. Rychkov, Electron multiplier concentrator on the base of polycrystalline diamond film // Diamond and related materials, Jan 2011, Vol. 20, issue 1, P. 23-25.

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

6. М.Э. Белоусов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, Н.К. Матвеева и др. Маска для формирования микрорисунка на алмазной пленке II Письма в ЖТФ, 2012, том 38, вып. 5, стр. 49-55.

7. М.Э. Белоусов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, Н.К. Матвеева и др. Усилитель электронного потока на кремниевых решетках, покрытых алмазной пленкой // Письма в ЖТФ, 2012, том 38, вып. 6, стр. 45-51.

8. Е.А. Il'ichev, А.Е. Kuleshov, N.K. Matveeva, G.N. Petrukhin, R.M. Nabiev, G.S. Rychkov, Electron multiplier on diamond-coated silicon membrane // International conference "Micro- and nanoelectronics 2012", RAS RFBR, Moscow - Zvenigorod, October 1-5,2012, Pl-35

9. E.A. Il'ichev, А.Е. Kuleshov, N.K. Matveeva, G.N. Petrukhin, R.M. Nabiev, G.S. Rychkov, Micropattern formation of diamond films // International conference "Micro- and nanoelectronics 2012", RAS RFBR, Moscow - Zvenigorod, October 1-5, 2012, P2-26

10. B.A. Беспалов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, Д.М. Мигунов и др. Твердотельный автоэмиссионный диод // Письма в ЖТФ 2013, том 39, вып. 4, стр. 46-52.

11. Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, P.M. Набиев, Г.Н. Петрухин и др. Использование графена в вакуумной микро- и наноэлектронике // Письма в ЖТФ, 2013, том 39, вып. 18, стр. 25-31.

12. В.А. Беспалов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, P.M. Набиев Г.Н. Петрухин, Г.С. Рынков, МЭМС-переключатели в радиочастотной электронике. I. Актуальность, проблемы реализации, предварительные оценки. Обзор. // Известия высших учебных заведений «Электроника» 3/2013 (101), с.64-

13. В .А. Беспалов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, P.M. Набиев, Г.Н. Петрухин, Г.С. Рычков, МЭМС-переключатели в радиочастотной электронике. II. Состояние разработок и перспективы. Обзор. // Известия высших учебных заведений «Электроника» 4/2013 (102), с.61-74.

14. А.Е. Кулешов, Е.С. Чернявская, «Вакуумный эмиссионный триод - элемент эмиссионной электроники» // Тезисы докладов «V Всероссийская молодежная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики», Москва, ФИАН, 10-15 ноября, 2013, ЮВС4, с.131.

Цитируемая литература

1. R.J. Nicholas, A. Mainwood and L. Eaves. Introduction. Carbon-based electronics: fundamentals and device applications Phil Trans

R. Soc. A (2008) 366, P. 180-193.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

12. K.L. Jensen, J.E. Yater, J.L. Shaw, et. al. Bunch characteristics of an electron beam generated by a diamond secondary emitter amplifier, Journal of Applied Physics, 108, 044509 (2010)

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

14. Dvorkin V.V., Dzbanovsky N.N., Suetin N.V., Rychkov G.S. et al. Secondary Electron Emission from CVD Diamond Films // Diamond Relat. Mater. 2003. V. 12. P. 2208 - 2.218.

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

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

Автореферат

Кулешов Александр Евгеньевич

тема: Исследование физических явлений в структурах для приборов вакуумной электроники на основе автоэмиссии и вторичной эмиссии электронов из алмазных пленок

Подписано в печать: 2014 г.

Заказ № _§С) Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. 1,3 Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ