RU2653843C2 - Способ повышения плотности и стабильности тока матрицы многоострийного автоэмиссионного катода - Google Patents
Способ повышения плотности и стабильности тока матрицы многоострийного автоэмиссионного катода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2653843C2 RU2653843C2 RU2016131665A RU2016131665A RU2653843C2 RU 2653843 C2 RU2653843 C2 RU 2653843C2 RU 2016131665 A RU2016131665 A RU 2016131665A RU 2016131665 A RU2016131665 A RU 2016131665A RU 2653843 C2 RU2653843 C2 RU 2653843C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- matrix
- density
- field emission
- crystal silicon
- emission
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 6
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 claims abstract description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 5
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 10
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract 2
- 102000001708 Protein Isoforms Human genes 0.000 abstract 1
- 108010029485 Protein Isoforms Proteins 0.000 abstract 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 abstract 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 abstract 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 abstract 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 3
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 2
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical class [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008284 Si—F Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001793 charged compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical class [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния. Изготовление матрицы многоострийного автоэмиссионного катода осуществляют на пластинах монокристаллического кремния в плазме микроволнового газового разряда осаждением из паров углеродосодержащих веществ, например этанола, с использованием явлений самоорганизации и структурирования субмонослойных углеродных покрытий в наноостровковые образования. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля и уменьшения, тем самым, рабочих напряжений осуществляют формирование эмиссионных центров в виде интегральных столбчатых наноструктур высотой до нескольких десятков нанометров, которые получают высокоанизотропным травлением кремниевых пластин с использованием полученных углеродных островковых нанообразований в качестве масочного покрытия. Для повышения плотности и стабильности автоэмиссионного тока матрица многоострийного автоэмиссионного катода на поверхности монокристаллического кремния подвергается плазменной обработке для удаления естественного оксидного покрытия в среде хладона-14 при отрицательном смещении на подложкодержателе. Технический результат - повышение плотности и стабильности автоэмиссионных токов.
Description
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе многоострийных автоэмиссионных катодов, изготовленных на пластинах монокристаллического кремния.
Известны многоострийные автоэмиссионные катоды, в котором матрица образована слоями плетеной ткани, пропитанной высокотемпературным связующим веществом, например пироуглеродом [А.св. СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978 г.].
При изготовлении матрицы все нити ткани ориентируют под острым углом к направлению эмиссии электронов, а рабочую поверхность, которая является эмиттером электронов и состоит из множества нитей, образующих волокна, полируют.
Однако при эксплуатации таких автокатодов в техническом вакууме происходит разрушение связующего вещества под действием ионной бомбардировки. Это приводит к расслоению материала и существенно ограничивает плотности автоэмиссионных токов и срок службы катода.
Известны также регулярные многоострийные матрицы автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода, изготовленные термохимическим способом [Патент RU 1738013, МКИ Н J 1/30, 1993]. Плотность упаковки таких матричных стеклоуглеродных эмиттерных структур достигает 106 см-2. Острия в матрице имеют форму усеченного конуса высотой до 15-20 мкм. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля вершины острий специально заострялись в кислородной плазме. После заострения их радиус составлял 0,3-0,5 мкм.
Однако стеклоуглеродные матрицы многоострийных катодов не обеспечивают высокой плотности упаковки эмитирующих центров. Это снижает плотности токов с эмиттеров, а приложение высоких электрических полей для усиления процесса автоэлектронной эмиссии приводит к возрастанию тепловыделения ионной бомбардировкой и, как следствие, к деградации многоострийных катодов. Кроме того, многоэтапность и сложность технологии ограничивает ее применение и конкурентоспособность.
Известны также матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из однослойных углеродных нанотрубок [Bonard J.-М., Salvetat J.-Р., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p. 918]. Поверхностная плотность случайно ориентированных одностенных нанотрубок составляла 108 см-2. Коэффициент увеличения электрического поля на вершине трубки изменяется в диапазоне от 2500 до 10000 при среднем значении 3600, что примерно втрое выше соответствующего значения для многослойных нанотрубок.
Однако эмиссионные характеристики таких структур нестабильны - за десять часов непрерывной работы плотность тока эмиссии (при постоянном приложенном напряжении) снижается примерно на порядок. Это, по-видимому, связано с разрушением нанотрубок под действием быстрых электронов. Кроме того, технология изготовления таких нанотрубных эмиттеров является многостадийной, сложной и затратной.
Наиболее близкими по технической сущности и техническому результату к предложенному являются многоострийные автоэмиссионные катоды на монокристаллическом кремнии [Патент RU 2484548, МПК H01J 1/30, 2011]. В таких автокатодах для увеличения коэффициента усиления электрического поля и уменьшения рабочих напряжений при получении повышенных значений токов автоэмиссии осуществляется формирование на кристаллическом кремнии эмиссионных центров в виде интегральных столбчатых наноструктур высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14) 109 см-2.
Целью изобретения является повышение плотности и стабильности токов многоострийных автоэмиссионных катодов, изготовленных на монокристаллическом кремнии.
Поставленная цель достигается тем, что матрицу многоострийного автоэмиссионного катода в виде столбчатых наноструктур (эмиссионных центров) высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14) 109 см-2, изготовленных на пластинах монокристаллического кремния электронного типа проводимости, подвергают плазмохимической обработке в среде хладона-14 при отрицательном смещении на подложкодержателе.
Вначале столбчатые наноструктуры на поверхности пластин монокристаллического кремния получают осаждением наноалмазографитовой пленки толщиной от 1 до 1,5 нм на поверхность пластин монокристаллического кремния, которые подвергают высокотемпературному отжигу с последующим высокоанизатропным травлением на определенную глубину, которая зависит от температуры пластины в процессе осаждения углеродной пленки.
Как известно, естественный оксид кремния на кремнии является хорошим диэлектриком. Он препятствует проникновению внешнего электрического поля в полупроводник, с одной стороны, и выходу носителей из подложки, с другой. Величина барьера зависит от толщины диэлектрика. Начиная с 4 нм, величина этого барьера определяется свойствами объемного диоксида кремния. При больших толщинах вероятность туннелирования электронов исчезающе мала. Таким образом, ввиду низкой концентрации собственных свободных электронов и большой величины потенциального барьера автоэмиссия из кремния с оксидным покрытием может осуществляться только благодаря двухступенчатому туннелированию электронов из зоны проводимости кремния в диоксид кремния, а затем в вакуум. Результатом этого являются низкие плотности максимальных автоэмиссионных токов из кремниевых пластин с естественным оксидным покрытием, которые, как правило, не превышают 100-150 мкА/см2.
При плазмохимическом травлении в среде хладона-14 с отрицательным смещением наиболее вероятным является процесс, при котором ускоренный электрическим смещением положительный углеродосодержащий ион вида 
где n=0…4, при ударе о поверхность диссоциирует на атомы углерода и фтора (ионно-индуцированная или ударная диссоциация молекулярного иона)
На начальных стадиях травления пластин кремния с естественным оксидным покрытием атомы углерода способствуют восстановлению SiO2 с образованием летучих соединений окислов углерода. После удаления оксидного покрытия ненасыщенные связи поверхностных атомов кремния пассивируются в результате взаимодействия как с атомами углерода с образованием Si - CFm, где m=0…3, ковалентных связей с энергией 4,55 эВ, так и атомами фтора с образованием Si-F комплексов с энергией связи, равной 5,6 эВ согласно реакции:
где R - кристаллическая решетка кремния.
Эти взаимодействия связаны с туннельным обменом электронами между поверхностными атомами кремния и адсорбированными ионами, когда их волновые функции перекрываются. Благодаря этим процессам осуществляются нейтрализация поступающих ионов и травление поверхности кремния. Оставшиеся после окончания процесса плазмохимического травления монослои Si-С соединений и одиночные Si-F комплексы пассивируют поверхность кремния и препятствуют, тем самым, образованию диэлектрического потенциального барьера в виде оксидов кремния различного стехиометрического состава. Результатом этого является увеличение более чем на порядок максимального автоэмиссионного тока по сравнению с автоэмиссией из кремниевых эмиттеров с естественным оксидным покрытием, которые не подвергались плазмохимическому травлению в среде хладона-14.
Многоострийные автоэмиссионные катодные матрицы на пластинах монокристаллического кремния в виде столбчатых эмиссионных центров после плазмохимической обработки в среде хладона-14 при отрицательном смещении при автоэмиссионных испытаниях показали хорошие характеристики. Увеличение плотности максимального эмиссионного тока по сравнению с необработанными в плазме катодными матрицами составило более одного порядка (с 0,15 до 3,7 мА/см2). Высокая стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5% на начальном этапе позволяет прогнозировать срок службы полученной катодной матрицы на уровне не менее 10000 часов.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978 г.
2. Патент RU 1738013, МКИ Н J 1/30, 1993 г.
3. Bonard J.-М., Salvetat J.-P., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett, 1998 г., 73, p. 918.
4. Патент RU 2484548, МПК H01J 1/30, 2011 г.
Claims (1)
- Способ повышения плотности и стабильности тока матрицы многоострийного автоэмиссионного катода в виде столбчатых наноструктур на поверхности пластин монокристаллического кремния, полученных осаждением наноалмазографитовой пленки толщиной от 1 до 1,5 нм на поверхность пластин монокристаллического кремния, которые подвергают высокотемпературному отжигу с последующим высокоанизотропным травлением на определенную глубину, которая зависит от температуры пластины в процессе осаждения углеродной пленки, отличающийся тем, что матрица многоострийного автоэмиссионного катода подвергается плазмохимической обработке для удаления естественного оксидного покрытия в среде хладона-14 при отрицательном смещении на подложкодержателе.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016131665A RU2653843C2 (ru) | 2016-08-01 | 2016-08-01 | Способ повышения плотности и стабильности тока матрицы многоострийного автоэмиссионного катода |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016131665A RU2653843C2 (ru) | 2016-08-01 | 2016-08-01 | Способ повышения плотности и стабильности тока матрицы многоострийного автоэмиссионного катода |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016131665A RU2016131665A (ru) | 2018-02-06 |
| RU2653843C2 true RU2653843C2 (ru) | 2018-05-15 |
Family
ID=61174126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016131665A RU2653843C2 (ru) | 2016-08-01 | 2016-08-01 | Способ повышения плотности и стабильности тока матрицы многоострийного автоэмиссионного катода |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2653843C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808770C1 (ru) * | 2023-06-27 | 2023-12-05 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" | Способ повышения плотности полевых токов и крутизны автоэмиссионных вах |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1805793A1 (ru) * | 1990-07-16 | 1996-04-27 | Научно-исследовательский институт электронной техники | Способ создания биполярных интегральных структур |
| US6652762B2 (en) * | 1999-01-27 | 2003-11-25 | Korea Institute Of Science And Technology | Method for fabricating nano-sized diamond whisker, and nano-sized diamond whisker fabricated thereby |
| WO2012036760A1 (en) * | 2010-09-16 | 2012-03-22 | Specmat, Inc. | Method, process and fabrication technology for high-efficency low-cost crytalline silicon solar cells |
| RU2484548C1 (ru) * | 2011-11-09 | 2013-06-10 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Способ изготовления матрицы многоострийного автоэмиссионного катода на монокристаллическом кремнии |
-
2016
- 2016-08-01 RU RU2016131665A patent/RU2653843C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1805793A1 (ru) * | 1990-07-16 | 1996-04-27 | Научно-исследовательский институт электронной техники | Способ создания биполярных интегральных структур |
| US6652762B2 (en) * | 1999-01-27 | 2003-11-25 | Korea Institute Of Science And Technology | Method for fabricating nano-sized diamond whisker, and nano-sized diamond whisker fabricated thereby |
| WO2012036760A1 (en) * | 2010-09-16 | 2012-03-22 | Specmat, Inc. | Method, process and fabrication technology for high-efficency low-cost crytalline silicon solar cells |
| RU2484548C1 (ru) * | 2011-11-09 | 2013-06-10 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Способ изготовления матрицы многоострийного автоэмиссионного катода на монокристаллическом кремнии |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2813858C1 (ru) * | 2023-05-30 | 2024-02-19 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" | Способ повышения эффективности многоострийных автоэмиссионных катодов |
| RU2808770C1 (ru) * | 2023-06-27 | 2023-12-05 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" | Способ повышения плотности полевых токов и крутизны автоэмиссионных вах |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016131665A (ru) | 2018-02-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7811149B2 (en) | Method for fabricating carbon nanotube-based field emission device | |
| RU2309480C2 (ru) | Материал и способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода | |
| TWI661011B (zh) | 使用無機物質作為變色層之電漿處理檢測指示劑 | |
| Viskadouros et al. | Electron field emission from graphene oxide wrinkles | |
| JP2007123280A (ja) | ＺｎＯの突起物を有するカーボンナノチューブ | |
| Kang et al. | Effect of sp 2 content and tip treatment on the field emission of micropatterned pyramidal diamond tips | |
| JP2021150246A (ja) | 電子放出素子 | |
| Alivov et al. | Effect of TiO2 nanotube parameters on field emission properties | |
| RU2474909C1 (ru) | Способ повышения деградационной стойкости сильноточных многоострийных автоэмиссионных катодов | |
| RU2484548C1 (ru) | Способ изготовления матрицы многоострийного автоэмиссионного катода на монокристаллическом кремнии | |
| WO2020225991A1 (ja) | 電子放出素子及び電子顕微鏡 | |
| Yue et al. | Amazing ageing property and in situ comparative study of field emission from tungsten oxide nanowires | |
| RU2653843C2 (ru) | Способ повышения плотности и стабильности тока матрицы многоострийного автоэмиссионного катода | |
| RU2588611C1 (ru) | Способ повышения плотностей тока автоэмиссии и деградационной стойкости автоэмисионных катодов | |
| Gupta et al. | Field emission properties of highly ordered low-aspect ratio carbon nanocup arrays | |
| Minh et al. | Selective growth of carbon nanotubes on Si microfabricated tips and application for electron field emitters | |
| RU2504858C2 (ru) | Автоэмиссионный катод | |
| JP5119457B2 (ja) | 電界放出型電子源及びその製造方法 | |
| RU2813858C1 (ru) | Способ повышения эффективности многоострийных автоэмиссионных катодов | |
| RU2692240C1 (ru) | Способ уменьшения порогов начала автоэмиссии, повышения плотности автоэмиссионных токов и деградационной стойкости сильноточных многоострийных автоэмиссионных катодов | |
| RU2654522C1 (ru) | Способ повышения плотности тока и деградационной стойкости автоэмиссионных катодов на кремниевых пластинах | |
| RU2652651C2 (ru) | Способ изготовления матрицы многоострийного автоэмиссионного катода на монокристаллическом кремнии | |
| Zhigalov et al. | Using horizontal carbon nanotubes in field emission cathodes | |
| Yafarov | Influence of electron saturation of Tamm levels on the field-emission properties of silicon crystals | |
| RU2808770C1 (ru) | Способ повышения плотности полевых токов и крутизны автоэмиссионных вах |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190802 |