RU2654522C1 - Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates - Google Patents

Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates Download PDF

Info

Publication number
RU2654522C1
RU2654522C1 RU2016124771A RU2016124771A RU2654522C1 RU 2654522 C1 RU2654522 C1 RU 2654522C1 RU 2016124771 A RU2016124771 A RU 2016124771A RU 2016124771 A RU2016124771 A RU 2016124771A RU 2654522 C1 RU2654522 C1 RU 2654522C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
emission
field emission
increase
field
crystal silicon
Prior art date
Application number
RU2016124771A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016124771A (en
Inventor
Геннадий Яковлевич Красников
Евгений Сергеевич Горнев
Сергей Николаевич Орлов
Равиль Кяшшафович Яфаров
Андрей Равильевич Яфаров
Сергей Петрович Тимошенков
Валерий Петрович Тимошенков
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" (АО "НИИМЭ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" (АО "НИИМЭ") filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" (АО "НИИМЭ")
Priority to RU2016124771A priority Critical patent/RU2654522C1/en
Publication of RU2016124771A publication Critical patent/RU2016124771A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2654522C1 publication Critical patent/RU2654522C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00Apparatus 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
    • H01J9/02Manufacture of electrodes or electrode systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: electronics.
SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering and can be used in the manufacture of light-indicating technology products and emission electronics based on field emission of a matrix of multi-point carbon emitters on single-crystal silicon plates. Production of a matrix of a multi-tip auto-emission cathode is performed on a single-crystal silicon plate of the hole-type conductivity in the plasma of a microwave gas discharge by precipitation from vapors of carbonaceous substances, for example ethanol, carbon coatings on silicon columnar nanostructures that are up to several tens of nanometers in height. Emission layers with a low transverse electric conductivity are used to increase the densities of field emission currents.
EFFECT: technical result is an increase in the stability and efficiency of field emission.
1 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии из композитных наноалмазографитовых структур.The invention relates to the field of electronic technology and can be used in the manufacture of products of light-indicating equipment and emission electronics based on field emission from composite nanodiamond graphite structures.

Уровень техникиState of the art

Известны многоострийные автоэмиссионные катоды, в которых матрица образована слоями плетеной ткани, пропитанной высокотемпературным связующим веществом, например пироуглеродом [1].Known multi-edge field emission cathodes in which the matrix is formed by layers of woven fabric impregnated with a high-temperature binder, for example pyrocarbon [1].

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.In the manufacture of the matrix, all fabric threads are oriented at an acute angle to the direction of electron emission, and the working surface, which is an emitter of electrons and consists of many fibers forming fibers, is polished.

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.However, during the operation of such autocathodes in a technical vacuum, the binder is destroyed by ion bombardment. This leads to stratification of the material and significantly limits the density of field emission currents and the life of the cathode.

Известны также регулярные многоострийные матрицы автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода, изготовленные термохимическим способом [2]. 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.Also known are regular multi-tip arrays of field emission cathodes made of glassy carbon made by the thermochemical method [2]. The packing density of such matrix glassy carbon emitter structures reaches 10 6 cm -2 . The points in the matrix have the shape of a truncated cone with a height of up to 15-20 microns. To increase the electric field gain, the tips of the tips were specially sharpened in the oxygen plasma. After sharpening, their radius was 0.3-0.5 μm.

Однако стеклоуглеродные матрицы многоострийных катодов не обеспечивают высокой плотности упаковки эмиттирующих 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.However, glassy carbon matrices of multi-tip cathodes do not provide a high packing density of emitting centers. This reduces the density of currents from emitters, and the application of high electric fields to enhance the field emission process leads to an increase in heat release by ion bombardment and, as a consequence, to the degradation of multi-tip cathodes. In addition, the multi-stage and complexity of the technology limits its application and competitiveness.

Известны также матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из однослойных углеродных нанотрубок [3]. 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.Matrices of multi-edge field emission cathodes consisting of single-walled carbon nanotubes are also known [3]. The surface density of randomly oriented single-walled nanotubes was 10 8 cm -2 . The coefficient of increase in the electric field at the top of the tube varies in the range from 2500 to 10000 with an average value of 3600, which is approximately three times higher than the corresponding value for multilayer nanotubes.

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.However, the emission characteristics of such structures are unstable - for ten hours of continuous operation, the emission current density (at a constant applied voltage) decreases by about an order of magnitude. This, apparently, is associated with the destruction of nanotubes under the action of fast electrons.

Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному являются многоострийные автоэмиссионные катоды на монокристаллическом кремнии [4]. 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 наноалмазографитовых островков на интегральных столбчатых наноструктурах высотой до нескольких десятков нанометров и с поверхностной плотностью до (5-14)109 см-2.The closest in technical essence and technical result to the proposed are multi-edge field emission cathodes based on single-crystal silicon [4]. In such autocathodes, in order to increase the electric field gain and reduce working voltages when obtaining increased field emission currents, emission centers are formed on crystalline silicon in the form of nanodiamond graphite islands on integrated columnar nanostructures up to several tens of nanometers high and with a surface density of up to (5-14) 10 9 cm -2 .

Недостатком многоострийных автоэмиссионных катодов на монокристаллическом кремнии является недостаточно высокие стабильность и плотности автоэмиссионных токов.The disadvantage of multi-edge field emission cathodes based on single-crystal silicon is the insufficiently high stability and density of field emission currents.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Целью изобретения является создание такой матрицы автоэмиссионных катодов, которая при упрощенной технологии изготовления, совместимой с технологией производства кремниевых интегральных схем, обеспечивала бы высокие плотность и стабильность автоэмиссионного токоотбора при более продолжительном ресурсе работы.The aim of the invention is the creation of such a matrix of field emission cathodes, which, with a simplified manufacturing technology compatible with the technology for the production of silicon integrated circuits, would provide high density and stability of field emission current collection with a longer service life.

Поставленная цель достигается тем, что многоострийную катодную матрицу в виде островковых автоэмиссионных углеродных покрытий на кремниевых столбчатых наноструктурах высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14)109 см-2 изготавливают на подложке монокристаллического кремния дырочного типа проводимости. Повышение плотностей и стабильности автоэмиссионных токов в такой катодной матрице достигается при увеличении сопротивления поперечному транспорту носителей заряда через эмиссионный слой.This goal is achieved by the fact that a multi-edge cathode matrix in the form of island field emission carbon coatings on silicon columnar nanostructures up to several tens of nanometers high and a surface density of up to (5-14) 10 9 cm -2 is made on a substrate of single-crystal silicon of the hole type conductivity. An increase in the density and stability of field emission currents in such a cathode matrix is achieved by increasing the resistance to the transverse transport of charge carriers through the emission layer.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1 - структура автоэмиссионного элемента:FIG. 1 - structure of the field emission element:

1 - анод;1 - anode;

2 - автоэмиссионное углеродное покрытие;2 - field emission carbon coating;

3 - полупроводник p-типа.3 - p-type semiconductor.

Фиг. 2 - график зависимости плотности автоэмиссионного тока от проводимости поверхностного слоя при напряженности поля 20 В/мкм.FIG. 2 is a graph of field emission current density versus surface layer conductivity at a field strength of 20 V / μm.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

При автоэлектронной эмиссии из планарной структуры, изготовленной на пластине кремния дырочного типа проводимости, реализуется «обратное включение» диодной структуры на границе полупроводник-алмазографитовый слой, при котором ток неосновных носителей (электронов) проходит поперек структуры к положительному аноду (1) (Фиг. 1).When field emission is carried out from a planar structure made on a silicon wafer with a hole type of conductivity, a “reverse inclusion” of the diode structure is realized at the semiconductor-diamond-graphite layer boundary, in which the current of minority carriers (electrons) passes across the structure to the positive anode (1) (Fig. 1 )

Как известно [5], при обратном включении приконтактный слой полупроводника обедняется основными носителями, и поперечный ток через структуру полупроводник (3) - металл (проводящий эмиссионный слой (3)) стремится к величине тока насыщения, который зависит от величины потенциала ϕs на его поверхности. Потенциал ϕs на поверхности полупроводника определяется разностью потенциалов на аноде (Va) и падением потенциала в эмиссионном слое (ϕs=Va-Vc). При флуктуации тока автоэмиссии Iа изменяется величина падения потенциала в эмиссионном слое, так как Vc=Ia⋅Rc, где Rc - поперечное сопротивление эмиссионного слоя. Результатом этого является изменение величины ϕs и тока, проходящего через полупроводник. При обратном включении зависимость тока насыщения от потенциала ϕs является очень слабой, а сопротивление очень большим. Это не позволяет флуктуациям тока переводить процесс эмиссии в режим аномального разряда и, тем самым, способствует повышению стабильности автоэмиссионного тока и долговечности автокатода за счет устранения явлений, связанных с «выгоранием» эмиссионных центров автокатода в результате токовых флуктуаций.As is known [5], when the semiconductor contact layer is switched back on, it is depleted in the main carriers, and the transverse current through the semiconductor structure (3) - metal (conducting emission layer (3)) tends to the value of the saturation current, which depends on the potential ϕ s on it surface. The potential ϕ s on the surface of the semiconductor is determined by the potential difference at the anode (V a ) and the potential drop in the emission layer (ϕ s = V a -V c ). With fluctuations in the field emission current I a , the potential drop in the emission layer changes, since V c = I a ⋅ R c , where R c is the transverse resistance of the emission layer. The result of this is a change in ϕ s and the current passing through the semiconductor. When turned back on, the dependence of the saturation current on the potential ϕ s is very weak, and the resistance is very large. This does not allow current fluctuations to transfer the emission process to an anomalous discharge mode and, thereby, helps to increase the stability of the field emission current and the durability of the cathode by eliminating the phenomena associated with the “burnout” of the emission centers of the cathode as a result of current fluctuations.

При увеличении поперечного сопротивления планарной эмиссионной структуры, изготовленной на полупроводнике p-типа, увеличивается в ней падение потенциала и, таким образом, уменьшается величина положительного потенциала ϕк на поверхности полупроводника. За счет уменьшения толщины и сопротивления запирающего слоя в полупроводнике это способствует повышению автоэмиссионного тока из планарной структуры, изготовленной на подложке кремния р-типа (Фиг. 2).With an increase in the transverse resistance of a planar emission structure made on a p-type semiconductor, the potential drop in it increases and, thus, the value of the positive potential ϕ k on the surface of the semiconductor decreases. By reducing the thickness and resistance of the barrier layer in the semiconductor, this contributes to an increase in field emission current from a planar structure made on a p-type silicon substrate (Fig. 2).

Автоэмиссионные катоды были изготовлены в виде островковых покрытий композиционной наноалмазографитовой пленки, сформированной на поверхности монокристаллических кремниевых пластин p-типа в плазме микроволнового газового разряда паров этанола в диапазоне давлений от 0,05 до 0,08 Па и температуре подложки от 200 до 350°С. Изготовленные углеродные многоострийные автоэмиссионные катодные матрицы с различными поверхностной плотностью и аспектным отношением столбчатых эмиссионных центров 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 высокие плотности тока. Так, при уменьшении электропроводности эмиссионного слоя от 1,35⋅10-4 См до 2⋅10-5 См за счет увеличения толщины углеродного слоя с 1,0 нм до 10 нм и более плотности эмиссионных токов с катодных матриц на подложках кремния p-типа при напряженности поля 20 В/мкм увеличивались от 3 до 19 мА/см2 (Фиг. 2).Field emission cathodes were fabricated in the form of island coatings of a composite nanodiamond-graphite film formed on the surface of p-type single-crystal silicon wafers in a plasma of a microwave gas discharge of ethanol vapor in the pressure range from 0.05 to 0.08 Pa and the substrate temperature from 200 to 350 ° C. The fabricated carbon multi-edge field emission cathode arrays with different surface densities and aspect ratio of columnar emission centers during the tests showed good characteristics, namely, high stability of emission with an amplitude of current fluctuation of less than 3.5% at the initial stage, which allows predicting the cathode life of at least 10,000 hours, as well as high current densities. So, with a decrease in the electrical conductivity of the emission layer from 1.35⋅10 -4 cm to 2⋅10 -5 cm due to an increase in the thickness of the carbon layer from 1.0 nm to 10 nm and more than the density of emission currents from the cathode matrices on silicon substrates p- type at a field strength of 20 V / μm increased from 3 to 19 mA / cm 2 (Fig. 2).

ЛитератураLiterature

1. Авторское свидетельство СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978.1. USSR author's certificate No. 767858, MKI H01J 1/30, 1978.

2. Патент RU 1738013, МКИ Н01J 1/30, 1993.2. Patent RU 1738013, MKI H01J 1/30, 1993.

3. Bonard J. - М., Salvetat J. - P., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett, 1998, 73, p. 918.3. Bonard J. - M., Salvetat J. - P., Stockli T., Heer W. A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett, 1998, 73, p. 918.

4. Патент RU 2484548, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2011.4. Patent RU 2484548, IPC H01J 1/30, H01J 9/02, 2011.

5. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: 1977, с. 672.5. Bonch-Bruevich V.L., Kalashnikov S.G. Semiconductor Physics. M .: 1977, p. 672.

Claims (1)

Способ повышения плотности тока, стабильности и деградационной стойкости многоострийных автоэмиссионных катодов в виде композиционной наноалмазографитовой пленки на столбчатых наноструктурах монокристаллического кремния высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14) 109 см-2, отличающийся тем, что многоострийные автоэмиссионные катоды изготавливают на пластинах монокристаллического кремния дырочного типа проводимости при толщине наноалмазографитовой пленки не менее 10 нм с поперечной электропроводностью, которую для повышения плотности автоэмиссионного тока необходимо уменьшать. A method for increasing the current density, stability and degradation resistance of multi-edge field emission cathodes in the form of a composite nanodiamond-graphite film on columnar nanostructures of single-crystal silicon with a height of up to several tens of nanometers and a surface density of up to (5-14) 10 9 cm -2 , characterized in that multi-edge field emission cathodes are made on wafer-type single-crystal silicon wafers with a nanodiamond-graphite film thickness of at least 10 nm with a transverse conductive a bone that needs to be reduced to increase the field emission current density.
RU2016124771A 2016-06-22 2016-06-22 Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates RU2654522C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016124771A RU2654522C1 (en) 2016-06-22 2016-06-22 Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016124771A RU2654522C1 (en) 2016-06-22 2016-06-22 Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016124771A RU2016124771A (en) 2017-12-27
RU2654522C1 true RU2654522C1 (en) 2018-05-21

Family

ID=62202331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016124771A RU2654522C1 (en) 2016-06-22 2016-06-22 Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2654522C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2765635C1 (en) * 2021-04-20 2022-02-01 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") Increasing the steepness of the vac of high-current field electron sources
RU2784410C1 (en) * 2022-03-16 2022-11-24 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6791248B2 (en) * 1998-09-25 2004-09-14 Matsushita Electric Works, Ltd. Field emission electron source
RU2309480C2 (en) * 2005-08-04 2007-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "НПП "Контакт" Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode
US7902734B2 (en) * 2005-09-29 2011-03-08 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Electron emission element and electron emission element fabrication method
RU2484548C1 (en) * 2011-11-09 2013-06-10 Равиль Кяшшафович Яфаров Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6791248B2 (en) * 1998-09-25 2004-09-14 Matsushita Electric Works, Ltd. Field emission electron source
RU2309480C2 (en) * 2005-08-04 2007-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "НПП "Контакт" Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode
US7902734B2 (en) * 2005-09-29 2011-03-08 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Electron emission element and electron emission element fabrication method
RU2484548C1 (en) * 2011-11-09 2013-06-10 Равиль Кяшшафович Яфаров Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2765635C1 (en) * 2021-04-20 2022-02-01 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") Increasing the steepness of the vac of high-current field electron sources
RU2784410C1 (en) * 2022-03-16 2022-11-24 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films
RU2813858C1 (en) * 2023-05-30 2024-02-19 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" Method of increasing efficiency of multi-tip electron field emission cathodes
RU2808770C1 (en) * 2023-06-27 2023-12-05 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" Method for increasing density of field currents and slope of field emission avcs

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016124771A (en) 2017-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2309480C2 (en) Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode
RU2455724C1 (en) Structure and method of making integrated field-emission elements having nanodiamond coating-based emitters
RU2474909C1 (en) Method to increase degradation resistance of high-current multi-spike field-emission cathodes
RU2484548C1 (en) Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon
RU2654522C1 (en) Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates
RU2588611C1 (en) Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes
RU171829U1 (en) AUTO EMISSION CATHODE
Smith et al. Electron field emission from room temperature grown carbon nanofibers
US6059627A (en) Method of providing uniform emission current
RU2692240C1 (en) Method for reducing thresholds of field-emission beginning, increasing field-emission current density and degradation resistance of high-current multi-tip field-emission cathodes
RU118119U1 (en) FIELD EMITTER
Wisitsora-At et al. High current diamond field emission diode
RU2808770C1 (en) Method for increasing density of field currents and slope of field emission avcs
JPH10269932A (en) Electron emission element
RU2652651C2 (en) Method of the multi-pin auto emission cathode matrix manufacturing on a mono-crystalline silicon
RU2813858C1 (en) Method of increasing efficiency of multi-tip electron field emission cathodes
RU181863U1 (en) AUTO EMISSION FILM DIODE
HIRAKI et al. Field emission from multilayered carbon films consisting of nano seeded diamond and nanocluster carbon, deposited at room-temperature on glass substrates
Aban’shin et al. Control of electrostatic field localization in field-emission structures
RU2653843C2 (en) Method of increasing the density and stability of a matrix current of a multiple auto-emission cathode
RU2763046C1 (en) Field emission emitter with nanocrystalline diamond film
RU2579777C1 (en) Device based on carbon-containing cold cathodes arranged on semiconductor substrate, and method of making same
CN110875166B (en) Current-limiting protection structure of carbon nano tube field emission electron source and preparation method thereof
Lyashenko et al. Limitation of the current from nanographite multiemitter field-emission cathodes
Milne et al. Optimisation of CNTs and ZnO nanostructures for electron sources